introduzione - Dipartimento di Fisica e Geologia

Rivelatori di Particelle
a.a. 2010-2011
Marisa Valdata
Da semplici idee
Ad apparati complicati
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Lezione 1.
 Programma
 Bibliografia
 Introduzione
2
PROGRAMMA
• Introduzione
• Cenni su acceleratori di particelle e fasci estratti
• Interazione delle particelle con la materia
–
–
–
–
–
Perdita di energia per ionizzazione
Scattering multiplo
Lunghezza di radiazione
Sciami elettromagnetici
Radiazione Cerenkov e di transizione
• Rivelatori di particelle
–
–
–
–
Rivelatori di posizione e tracciamento a gas e di silicio
Scintillatori organici ed inorganici,fotomoltiplicatori, fibre scintillanti
Calorimetria: calorimetri omogenei ed a sampling.
Identificazione di particelle: misure di dE/dx, tempi di volo, rivelatori
Cerenkov, rivelatori di radiazione di transizione.
Radiazioni ionizzanti: dosimetria, radioprotezione ed
applicazioni mediche
3
BIBLIOGRAFIA
TESTI
• C. Grupen,Particle Detectors, Cambridge University Press, 1996
• R. Fernow, Introduction to Experimental Particle Physics,Cambridge
University Press, 1992
• W.R.Leo, Tecniques for Nuclear and Particle Physics Experiments,
Springer Verlang, 1994
4
BIBLIOGRAFIA ……
Altri utili testi:
• Dan Green, The Physics of Particle Detectors, Cambridge University
Press,2000
• Konrad Kleinknecht, Detectors for Particle Radiation, Cambridge
U.K.
• Blum & Rolandi, Particle Detection with Drift Chambers, Springer
Verlang, 1994
5
BIBLIOGRAFIA ……
ARTICOLI DI RIVISTA:
• Experimental Tecniques in High Energy Physics, T.Ferbel (editore),World
Scientific, 1991
• Instrumentation in High Energy Physics, F.Sauli (Editore), World Scientific,
1992
ALTRI:
• Particle data Book (Phys. Rev. D)
• R. Bock, a. Vasilescu, Particle Data Briefbook
http://www.cern.ch/Physics/ParticleDetector/Briefbook
• Proceedings di conferenze sugli apparati (Vienna VCI, Elba, IEEE)
• Introduction to radiation detectors and electronics (Helmut Spieler, Lecture
Notes – Physics 198,Spring semester 1999- UC Berkeley)
http://www-physics.lbl.gov/~spieler/physics_198_notes_1999/index.html
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Il piu’ vecchio rivelatore (di fotoni)…
•
•
•
•
•
Alta sensibilità ai fotoni
Buona risoluzione spaziale
Range dinamico molto largo
(1:1014) + adattamento
automatico della soglia
Discriminazione in energia
(lunghezza d’onda)
Piuttosto lento (velocità di
acquisizione +analisi ~10 Hz)
7
Lastre fotografiche
8
Tubo a raggi catodici
9
Tubo a raggi catodici
10
11
12
Progresso…..
13
Un decadimento W+W- in Aleph
14
Un evento simulato in ATLAS (CMS)
HZZ 4µ
15
Introduzione
La reazione e+e- → Zo →qq:
•
Conosciamo le particelle interagenti
(e+e-)
 ACCELERATORI
•
Per ricostruire la reazione e le
proprietà delle particelle coinvolte la
massima informazione sui prodotti
finali (gli unici a noi accessibili)
 APPARATI SPERIMENTALI
16
Introduzione
Acceleratori:
•
Accelerano particelle stabili (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni) PS,
AGS, SPS ….
Anelli di Collisione (Colliders):
•
Siamo nel c.m.: le particelle collidono fra loro LEP, LHC, Tevatron,
PEPII.
17
Introduzione
Apparati Sperimentali.
Particelle incidenti:
•
•
•
•
Elettroni,positroni
Protoni, antiprotoni
Protoni protoni
Elettroni, protoni
Prodotti finali:
•
•
•
•
Particelle cariche
Particelle neutre
Fotoni
neutrini
Esempio Collider
•Copertura di tutto l’angolo solido senza buchi e altamente segmentato
•Misura dell’impulso e/o energia
•Identificazione delle particelle finali
•Rapido (senza tempo morto)
Le particelle sono rivelate tramite le loro interazioni con la materia.
Diversi processi fisici coinvolti (essenzialmente elettromagnetici)
Osserviamo la ionizzazione e l’eccitazione della materia
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Definizioni ed unita’
L’ Energia è definita come: E2=p2c2+mo2c4
•
•
•
Energia E ; si misura in eV (e suoi multipli KeV, MeV, GeV, TeV)
Impulso p : si misura in eV/c (e suoi multipli)
Massa a riposo mo: si misura in eV/c2
L’eV corrisponde all’energia ΔU guadagnata da un elettrone posto in una
d.d.p. ΔV=1V
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Definizioni ed unita’
•
Masse
–
–
–
–
–
•
~ 0.5 MeV
~105 Mev
~140 MeV
~938 MeV
MeV
Lunghezze
–
–
–
–
•
Elettrone (e)
Muone (m)
Pione (p)
Protone e neutrone (p,n)
Fotone e neutrino(g,n) ~0.
1 μm (10-6 m)
1 nm (10-9 m)
1 Å (10-10 m)
1 f (10-15 m)
-risoluzione spaziale degli apparati
-lunghezza d’onda del verde (~500nm)
- dimensioni dell’atomo
-dimensioni del nucleo
Tempi
– 1μs (10-6 s)
– 1 ns (10-9 s)
– 1 ps (10-12 s)
deriva di 5 cm di un e in un gas (camere a a deriva
un fotone fa 30 cm in 1 ns (nel vuoto)
vita media di un mesone B
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Definizioni ed unita’
Spesso si usa:
  c 1
In tali unità:
[E] = [p] = [m] = [t-1] = [x-1] = eV
Per passare dalle unità adimensionali a quelle dimensionali dobbiamo conoscere:
•
la velocita’ della luce c=3x108 m/s e la costante di Plank h=6.62x10-34 J s

(h/2p)c ~ 0.2 GeV f ~ 2000 eV Å
___________________________________________________________________________
Ricordando il principio d’indeterminazione Dx·D(pc) = (h/2p) c 
•
•
•
Per risolvere le dimensioni di un atomo (~Å 10-10m) servono energie ~KeV
Per vedere dentro un nucleo ( ~ f 10-15m) dobbiamo avere energie ≥ 200 MeV
Per distinguere i costituenti di un protone servono energie ~ GeV
21
Cinematica relativistica
Formule base:

velocita'
b


v
c

impulso
p  b gmc
(g  1
energia
E  gmc 2 
p 2c 2  m 2c 4
energia cinetica
1 b
2
)
K  (g  1)mc 2
Valide anche nel caso non relativistico  g ~ 1+1/2 b2  K=1/2 mv2 (per quanto riguarda l’energia
cinetica e la quantità di moto)
Energie (impulsi) sono classificati come segue:
 g~1
non relativistico
 g>1
relativistico
 g >> 1
ultrarelativistico
(in questo caso K~E)
22
Cinematica relativistica
L’energia e l’impulso di una particella formano un quadrivettore p = (E,p).
L’ energia E* e l’impulso p* di una particella massa m viste da un sistema di
riferimento con velocità b sono:
 E*   g
 *   
 p   gb
 //  
 gb  E 
 
g  p// 
;
pT*  pT
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Cinematica relativistica
In una collisione di 2 particelle di massa m1 ed m2 l’energia totale nel c.m. e’
espressa dall’invariante di Lorentz:
s  Ecm 
m12  m22  2 E1 E2 (1  b1b 2 cos( )
( E1  E2 ) 2  (p1  p 2 ) 2 
Dove q è l’angolo formato fra le due particelle.
Nel sistema in cui m2 è ferma (sistema del laboratorio) avremo:
s  Ecm   m12  m22  2E1m2 


1
2
g >>1
 2E1m2
Le variabili del laboratorio rispetto al c.m. sono:
bcm 
p1lab
E

 1lab
 m2 

pcm 
g cm
plab m2
Ecm
E

  1lab
 m2 

Ecm
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Particelle ed Interazioni
La fisica subnucleare studia i costituenti della materia ( partoni e leptoni) e cerca di
capire le interazioni cui sono soggetti 




Interazioni forti
Interazioni e.m.
Interazioni deboli
Interazioni gravitazionali
•
La forza gravitazionale è irrilevante in quanto mp = 938 MeV = 1.67x10-27 kg. È comunque a lungo
raggio.
La forza debole (responsabile dei decadimenti radioattivi e delle interazioni di neutrini è poco utile
per i rivelatori. È a corto raggio.
La forza forte è quella che tiene assieme i protoni (e neutroni) nel nucleo. È utilizzata solo nei
Calorimetri Adronici. Anche questa forza è a corto raggio.
La forza e.m., non è altro che la forza coulombiana. È a lungo raggio e quindi, nel caso di particelle
cariche domina a grandi distanze fino a ~ 1 f ( a piccole distanze domina la forza forte).
•
•
•
(forza relativa a ~10-18 cm
(
“
“
(
“
“
(
“
“
~1 )
~10-2)
~10-5)
~10-39)
Quest’ ultima è fondamentale per i rivelatori Interazione Radiazione Materia
dominata da processi e.m.
25
Particelle ed Interazioni
Le particelle possono essere classificate tramite le forze cui sono soggette.
•
•
•
•
I leptoni ( m, e, n ) non sono soggetti alla forza forte. Non hanno struttura
interna  sono puntiformi.
Gli adroni sentono la forza forte e sono suddivisi in barioni (spin
semintero) e mesoni (spin intero). Gli adroni hanno una struttura interna
(quark).
Ogni particella ha la sua antiparticella con la stessa massa e spin, ma
carica ed altri numeri quantici interni opposti.
Esistono anche i Bosoni di Gauge (mediatori delle interazioni). Hanno spin
intero.
– Interazione e.m.
g
– Interazione forte
g
– Interazione debole
Z0,W±
26
Particelle ed interazioni
La ricerca sperimentale studia:
•
Diffusione di particelle
•
Spettroscopia e decadimenti
•
Produzione di particelle



sezione d’urto
vita media
sezione d’urto
Vita media: t
Se la particella instabile si muove il percorso che farà prima di morire è:
 p 
ct
mc


ld  gbct  
Il numero di particelle che decadono in dx è proporzionale al numero di particelle N(x) che si hanno ad x
ed al percorso dx.
 Distribuzione esponenziale con pendenza ld (lunghezza di decadimento)
dN ( x)   N ( x) 
dx
ld
 N ( x)  N 0 e
x
ld
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Particelle ed interazioni
Sezione d’urto s.
•
•
La s è usata per esprimere la probabilità di interazione fra particelle elementari.
Se giocamo al tiro al bersaglio, il parametro che ci interessa è la dimensione del bersaglio
(targhetta) ovvero l’area che il fascio di freccette vede.
Analogamente se spariamo un fascio di elettroni in un bidone di idrogeno (che non è altro che un
insieme di protoni) il parametro che ci interessa è la dimensione del protone, ovvero l’area che il
protone mostra al fascio incidente.Però il protone non ha una sezione ben definita, ma più vicino
ci andiamo maggiore è la probabilità d’interazione. Inoltre la sezione d’urto dipende dalla natura
del proiettile oltre che dalla struttura del bergaglio. Gli elettroni sono diffusi più dei neutrini e meno
dei protoni (interazioni diverse).
– Sezione d’urto elastica ( Se l’energia è bassa avremo solo e+pe+p )
– Sezione d’urto anelastica ( Se l’energia è sufficiente possiamo avere e+pe+p+g o anche
e+pe+p+p etc )
Ipotesi semplicistica s 1/v ( più a lungo sto vicino al protone più alta è la
probabilità d’interazione), ma risonanze (stato quasi legato) e s più grande.
Dimensioni area. Unità di misura 1 barn (b) =10-24 cm2
Per impulso nel lab. di 10 GeV/c si ha:
 st ( p+p ) ~ 25 mb
 st ( gp ) ~ 100 mb
 st ( np ) ~ 0.1 pb
(forte)
(e.m.)
(debole)
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Sezioni d’urto
Per avere la sT si integra su tutto l’angolo solido.
29
Sezione d’urto
• Esempio numerico: p- p p0 n
–
–
–
–
–
107 particelle incidenti a burst ( impulso dell’acceleratore)
1 burst ogni 10 s
8 giorni di presa dati
Targhetta di Be (r =1.8 gr/cm3) l=10 cm
Dati raccolti 7.49x1010
sT=(Nrac/Nfascio)x(1/nA)
nA = rlNA (Z/A)
(Nrac=7.49x1010
Nfascio=69120x107)
(numero di protoni nella targhetta)
sT = (7.49x1010)/(69120x107x48.18x1023)~2.25x10-26 cm2=22.5 mb
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Sezione d’urto
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